Additive vs. Subtraktive Fertigung

Die additive Fertigung ist ein Verfahren, bei dem Teile von Grund auf aufgebaut werden, indem aufeinanderfolgende Schichten zur Herstellung eines Produkts hinzugefügt werden. Der 3D-Druck ist die Technologie, die am meisten mit der additiven Fertigung in Verbindung gebracht wird. Bei der subtraktiven Fertigung wird Material abgetragen, um ein Teil herzustellen. Bei diesem Verfahren wird traditionell die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) eingesetzt.

Beide Technologien können computergestützte Design (CAD)-Softwaremodelle zur Herstellung von Produkten verwenden. Diese Fertigungstechnologien haben einen enormen Einfluss auf Prototypen und die Produktion und entwickeln sich ständig weiter.

Dieser Artikel befasst sich mit der additiven und der subtraktiven Fertigung, ihren Unterschieden, Kosten, Anwendungen und dem Hybridverfahren.

Die Unterschiede zwischen additiver und subtraktiver Fertigung sind erheblich. Bei der additiven Fertigung, die oft auch als 3D-Druck bezeichnet wird, werden aufeinanderfolgende Materialschichten aufgetragen, um ein Objekt zu erstellen. Bei der subtraktiven Fertigung wird Material abgetragen, um ein Objekt zu erstellen.

Additive Fertigung

Bei beiden Technologien werden CAD-Zeichnungen zur Herstellung von Teilen verwendet; bei der additiven Fertigung werden Pulver geschmolzen oder verschmolzen oder flüssige Polymermaterialien ausgehärtet, um Teile auf der Grundlage der CAD-Zeichnungen zu formen. Additive Verfahren sind langsamer in der Herstellung, und mehrere Technologien erfordern Nachbearbeitungsmethoden zum Aushärten, Reinigen oder Endbearbeiten des Produkts. Die Endbearbeitung der Oberfläche ist nicht so glatt wie bei der subtraktiven Fertigung, und die Toleranzen sind nicht so genau. Diese Verfahren sind ideal für leichtere Teile, Materialeffizienz, schnelles Prototyping und die Herstellung kleiner bis mittlerer Serien.

Komplexe Geometrien, einschließlich des Drucks von Gelenkverbindungen mit additiver Fertigung, sind möglich. Die Geometrien sind komplizierter, und die Einrichtung ist schnell und einfach, ohne dass ein Bediener während des Druckvorgangs erforderlich ist. Die gebräuchlichsten Materialien, die bei der additiven Fertigung verwendet werden, sind Kunststoffe und Metalle. Die Kosten für die Ausrüstung sind geringer als bei der subtraktiven Fertigung, und für die meisten 3D-Druckverfahren sind verschiedene Materialfarben erhältlich.

Zu den additiven Technologien gehören:

• Binder Jetting - Bei diesem Verfahren werden flüssige Bindemittel verwendet, die selektiv aufgetragen werden, um Pulvermaterialien zu verbinden. Zu den Materialien gehören Metall, Kunststoff, Keramik und Sand.
• Directed Energy Deposition (DED) - DED nutzt gezielte thermische Energie, um Materialien während des Auftragens zu verschmelzen. Zu den Materialien gehören Draht und Pulver.
• Materialextrusion: Bei der Extrusion wird das Material selektiv in Schichten durch eine Düse oder Öffnung aufgebracht. Zu den Materialien gehören Kunststoffe, Nylon, FDM, FF und Sand.
• Material-Jetting - Tröpfchen werden selektiv aufgetragen, um Produkte zu formen. Zu den Materialien gehören Fotopolymere, Wachs, Sand und Poly-Jetting-Material.
• Pulverbettschmelzen - Durch thermische Energie werden Bereiche eines Pulverbettes selektiv verschmolzen. Zu den Materialien gehören Metalle, Polymere und Fasern.
• Blechkaschierung - Materialschichten werden zu einem Objekt verbunden. Zu den Materialien gehören Metall, Papier, Holz und Kunststoffe.
• Bottich-Photopolymerisation - Vorab abgeschiedenes Photopolymer wird durch lichtaktivierte Vernetzung angrenzender Polymerketten selektiv gehärtet. Zu den Materialien gehören Photopolymere.

Subtraktive Fertigung

Bei der subtraktiven Fertigung wird Material durch Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Schneiden und Aufbohren abgetragen. Das Material ist in der Regel Metall oder Kunststoff, und das Endprodukt hat eine glatte Endbearbeitung mit engen Maßtoleranzen. Es steht eine Vielzahl von Werkstoffen zur Verfügung. Die Umrüstzeiten sind länger, aber automatische Werkzeugwechsler helfen, zeitraubende Verzögerungen zu reduzieren. Die Prozesse können vollständig automatisiert werden, obwohl ein Bediener zwei oder mehr Maschinen beaufsichtigen kann.

Die Ausrüstungskosten sind höher und erfordern in der Regel zusätzliche Vorrichtungen und Werkzeuge. Es eignet sich am besten für die Großproduktion mit relativ kurzen Fertigungszeiten, aber langen Umrüstzeiten. Materialhandhabungsgeräte unterstützen beide Verfahren bei der Materialzufuhr und -entnahme. Die Geometrien sind nicht so komplex wie bei additiven Fertigungsverfahren.

Zu den subtraktiven Fertigungstechnologien gehören:

• Abschleifen - Bei diesem Fertigungsverfahren wird die Materialoberfläche durch Schleifen und Polieren der Produkte durch Reibung abgetragen.
• CNC-Bearbeitungszentren - Ein computergestütztes Fertigungsverfahren, bei dem komplexe Maschinen über vorprogrammierte Software gesteuert werden, um die Bearbeitungsmaschinen zum Schneiden und Formen von Teilen zu regulieren. Zu dieser Ausrüstung gehören Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen und 5-Achsen-CNC-Bearbeitungszentren.
• Funkenerosion (EDM) - Auch bekannt als "Funkenbearbeitung", "Drahtbrennen" oder "Drahterosion" ist die Funkenerosion ein nicht-traditionelles Bearbeitungsverfahren, bei dem elektrische Entladungen von 80,00ºC bis 12.000ºC eingesetzt werden, um Material von einem in einer dielektrischen Flüssigkeit befindlichen Werkstück zu entfernen. 
• Laserschneiden - Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein Gaslaser, häufig CO2, als Energiequelle verwendet. Der Laserstrahl wird durch Spiegel gelenkt und auf das Werkstück gerichtet, um Material zu entfernen. Die Leistung des Laserstrahls liegt zwischen 1.500 und 2.600 Watt.
• Wasserstrahlschneiden - Das Wasserstrahlschneiden ist ein beschleunigtes Erosionsverfahren, bei dem ein Hochdruckwasserstrahl eingesetzt wird. Diese CNC-Methode zum Schneiden von Objekten nutzt die Energie von Ultrahochdruckwasser, das mit Geschwindigkeiten von bis zu 2.500 mph (Mach 3) in den Hyperschall übergeht.

Zu den Materialien für die subtraktiven Fertigungsverfahren gehören Hart- und Weichmetalle, duroplastische Kunststoffe, Acryl, Holz, Kunststoffe, Schaumstoffe, Verbundstoffe, Glas und Stein.

Additive und subtraktive Technologien umfassen eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren. Die Kosten und Möglichkeiten reichen von Desktop-Maschinen bis zu großen Industrieanlagen. Die Preise sind in den letzten Jahren erheblich gesunken, insbesondere bei den additiven Verfahren. Kompakte, einfach zu bedienende Desktop-Geräte für die additive und subtraktive Fertigung sind heute für den professionellen Einsatz in Werkstätten und Maschinenhallen erhältlich.

3D-Drucker der Einstiegsklasse beginnen bei einigen hundert Dollar, und die Kosten für geeignete Desktop-Drucker für Enthusiasten beginnen bei etwa 3.500 bis 20.000 Dollar. Industrielle Drucker beginnen bei 10.000 Dollar und kosten über 400.000 Dollar.

Hobbyfräsen und -drehbänke beginnen bei 2.000 $, und ein CNC-Bearbeitungszentrum der Einstiegsklasse kann bei 60.000 $ beginnen. Industrielle 5-Achsen-Bearbeitungszentren kosten 500.000 Dollar und mehr.

Mit additiver und subtraktiver Fertigung wird eine breite Palette von Produkten in verschiedenen Branchen hergestellt. Die additive Fertigung wird bevorzugt für das Rapid Prototyping, die Kleinserienfertigung und die Produktion auf Abruf eingesetzt. Die subtraktive Fertigung stellt seit langem Prototypen her, eignet sich aber am besten für große Produktionsserien.

Nahezu jede Branche verwendet Produkte aus der additiven Fertigung, darunter Luft- und Raumfahrt, Architektur, Automobilbau, Luftfahrt, Konsumgüter, Lifestyle, industrielle Fertigung, Materialhandhabung, Robotik, Medizin- und Dentaltechnik sowie Sport. Zu den Produkten gehören medizinische Implantate, Flugzeugkomponenten, Automobilteile, Feingussmodelle, Werkzeuge, Halterungen, Turbinenschaufeln, Schmuck, Unterhaltungselektronik, Fahrräder und anpassbare Produkte.

Die Produkte der subtraktiven Fertigung werden in denselben und weiteren Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Architektur, Automobilbau, Luftfahrt, Konsumgüter, Lebensmittel, Lifestyle, industrielle Fertigung, Materialtransport, Öl und Gas, Robotik, Medizin- und Zahntechnik sowie Sport. Diese Produkte werden häufig in rauen Umgebungen eingesetzt, in denen robuste Produkte von entscheidender Bedeutung sind. Subtraktive Fertigungsteile werden überall eingesetzt, von Kolben über Ventilatorflügel bis hin zu Stahlfässern und Turbinen.

Subtraktive und additive Komponenten ergänzen sich häufig bei der Herstellung von Werkzeugen, Vorrichtungen und Halterungen.

Hybride Verfahren kombinieren additive und subtraktive Verfahren und vereinen das Beste aus beiden Welten in einer Maschine. Diese hybriden Verfahren nutzen die Stärken beider Fertigungssysteme und erfordern eine spezielle Ausrüstung. Die Hybridfertigung macht die Herstellung komplexer Teile schneller und einfacher.

Ein Beispiel wäre das Polieren der Oberfläche eines 3D-gedruckten Teils oder das Bohren eines Lochs, das eine enge Toleranz erfordert.